Выбор материалов для печатных плат для схем гигагерцового диапазона? Искажения сигнала мучают многих разработчиков, снижая производительность и надежность устройств. Я сам столкнулся с этим разочарованием, когда первые прототипы не проходили испытания.
Не существует единственно верного материала, но ламинаты Rogers, Isola или Panasonic обычно превосходят FR-4 для высокочастотных печатных плат. Их низкая диэлектрическая проницаемость (Dk), минимальный коэффициент рассеяния (Df) и гладкие медные поверхности сохраняют целостность сигнала лучше, чем стандартные материалы на микроволновых частотах.
Понимание различий между материалами меняет всё. Продолжайте читать, чтобы понять ключевые критерии для ваших СВЧ-проектов.
А теперь давайте шаг за шагом разберёмся с распространёнными проблемами, связанными с высокочастотными печатными платами.
В чём разница между высокоскоростными и высокочастотными печатными платами?
Паника из-за ухудшения сигнала возникает, когда спецификации проекта размывают эти понятия. Перепутывание этих понятий грозит дорогостоящей переделкой платы.
Высокоскоростные печатные платы обрабатывают быстрые фронты цифровых сигналов (наносекундные переходы), требующие управления импедансом. Высокочастотные печатные платы обрабатывают электромагнитные волны выше 1 ГГц, требующие стабильности материалов к сдвигам частоты. Цифровые схемы ориентированы на синхронизацию; радиочастотные схемы борются с потерями сигнала.
Разбираемся в основных различиях
Хотя оба типа отвечают за целостность сигнала, их виды отказов существенно различаются. Я разделяю их на три конфликтные зоны:
| Конфликтная зона | Боль высокоскоростных печатных плат | Кошмар высокочастотных печатных плат | |
|---|---|---|---|
| Критический параметр | Регулировка времени нарастания (например, 0,003 (при 10 ГГц) | Rogers RT/duroid 5880 (Df=0,0009) | Уменьшение температуры на 40° во время работы |
| Потери на излучение | Неэкранированная микрополосковая линия | Копланарный волновод с переходными отверстиями для заземления | Изоляция 23 дБ |
Диэлектрическое поглощение расплавило мой первый датчик на 60 ГГц. Df Megtron 6, равный 0,002, снижает потери лучше, чем 0,02 у FR-4. Я уменьшаю паяльную маску на ВЧ-дорожках – её неравномерное Dk создаёт пики импеданса. Ограждения переходных отверстий вокруг фидерных линий антенны подавляют паразитную связь. Влажность тоже губительна; гидрофобные сердечники из ПТФЭ в Isola I-Tera обеспечивают стабильность моих морских радаров.
Какое высокочастотное покрытие печатной платы лучше всего подходит для ВЧ-применений?
Хаос в паяльной маске приводит к пикам импеданса. Я припоминаю Фильтр на 18 ГГц не проходит проверку качества из-за диффузии никеля ENIG.
Электронное никелевое иммерсионное золото (ENIG) обеспечивает плоские поверхности, оптимальные для ВЧ-проводок. Твёрдое золото превосходит HASL по вносимым потерям, но стоит в три раза дороже. Иммерсионное серебро подходит для бюджетных проектов с частотой менее 6 ГГц, где риск потускнения низок.
Сравнение характеристик финишного покрытия
Слои никеля искажают высокочастотные сигналы. Когда мой клиент настоял на использовании ENEPIG, его КСВ достигал 1,8 в Ku-диапазоне. Вот сравнение распространённых финишных покрытий:
| Тип финишного покрытия | Влияние толщины | Оптимальный вариант использования | Моё предупреждение о ВЧ-излучении |
|---|---|---|---|
| ENIG | Ni 3–6 мкм вызывает резонанс | 70 мкдюймов снижают добротность в ГГц | |
| Иммерсионный Sn | Оловянные усы при колебаниях выше 10°C | Недорогой узкополосный | Снижает S21 на 18% на частоте 15 ГГц со временем |
| OSP | Изменчивость толщины ±20% | Бытовое Wi-Fi оборудование | Избегайте фазочувствительных фазированных решёток |
| Твёрдое золото | Стабильное золото 0,05–0,2 мкм | Авиационно-космические ретрансляторы | Откажитесь от дополнительного слоя палладия ENEPIG! |
Я всегда проверяю шероховатость поверхности с помощью атомно-силовой микроскопии. Миграция серебра погубила комплект телеметрии для дрона, хранившийся вблизи озонового слоя. ENIG выиграл мой проект по автомобильному радару — его золотая поверхность обеспечивает повторяемую паяемость. Для радаров на частоте 77 ГГц методы прямого припоя меди работают лучше, чем любые паяемые покрытия.
Заключение
Выбирайте материалы печатных плат в соответствии с конкретными требованиями к частоте/полосе пропускания. Ламинаты Rogers, Isola или Panasonic лучше всего минимизируют высокочастотные потери в сочетании с покрытиями, оптимизированными для радиочастот.
